CN108848028B - 电力线通信网络的多径路由选择方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力线通信网络的多径路由选择方法及系统。该多径路由选择方法包括：各个终端节点接收自身的邻居节点周期性发送的HELLO消息，根据邻居节点的数量变化信息以及信噪比变化信息确定自身的可靠度；中心节点发起路由发现消息，收到路由发现消息的终端节点判断自身的可靠度是否超过门限值，可靠度未超过门限值的终端节点判断自身是否是目的节点，若自身是目的节点则从收到的所有路由发现消息中提取所有的路由记录，选取出主路由和备用路由；目的节点向中心节点返回路由响应消息。所述电力线通信网络的多径路由选择方法及系统能够在主路由失效时及时启动备用路由，提高了电力线通信网络处理链路故障的及时性以及电力线通信网络的抗毁性。

Description

电力线通信网络的多径路由选择方法及系统
技术领域
本发明是关于电力线通信领域，特别是关于一种电力线通信网络的多径路由选择方法及系统。
背景技术
电力线载波(简称PLC)是目前国内用电信息采集系统建设的主要通信手段，在用电信息采集系统中，利用该手段主要完成居民用户到配电变压器之间的通信，完成数据采集和费控等功能应用。但是由于电力线载波信道环境存在严重的恶劣性和复杂性，比如噪声干扰、信号选择性衰减、线路阻抗波动等，往往导致通信链路失效、可靠性偏低，限制了大规模电力通信的应用。
为了克服上述问题，低压电力线载波通信可靠性研究主要从物理层增强和网络路由两个方向展开。前者主要集中在信道特性、噪声、信源和信道编码、信号调制解调方式等方面，后者主要集中在多级中继路由算法的设计和改进上。当前电力线通信网络路由方法大多基于单一通信链路，一旦发生通信链路失效，必须进行局部甚至全局的网络重构，频繁的网络重构将带来大量的网络延时，不满足电力线通信网络的实时性和抗毁性要求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力线通信网络的多径路由选择方法及系统，其设置了可靠性佳的主路由，同时还设置了与主路由的节点相关度最小的备用路由，能够在主路由失效时及时启动备用路由，提高了电力线通信网络处理链路故障的及时性以及电力线通信网络的抗毁性。
为实现上述目的，本发明提供了一种电力线通信网络的多径路由选择方法，该电力线通信网络中包括中心节点和终端节点。该多径路由选择方法包括：各个终端节点接收自身的邻居节点周期性发送的HELLO消息，根据该HELLO消息发送过程的邻居节点的数量变化信息以及自身与邻居节点的信噪比变化信息确定各个终端节点的可靠度；中心节点以广播方式向目的节点发起路由发现消息，该路由发现消息包括目的节点的地址信息；收到所述路由发现消息的所有终端节点首先判断自身的可靠度是否超过门限值，可靠度超过所述门限值的终端节点直接丢弃自身收到的路由发现消息，可靠度未超过所述门限值的终端节点根据所述路由发现消息中的目的节点的地址信息判断自身是否是目的节点，若自身不是目的节点，则继续转发所述路由发现消息，若自身是目的节点，则从该目的节点收到的所有路由发现消息中提取所有的路由记录，从所述的所有路由记录中选取出主路由，再选取出与该主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由；目的节点向中心节点返回路由响应消息，该路由响应消息包括所述主路由和备用路由的信息。
在一优选的实施方式中，所述确定各个终端节点的可靠度包括：各个终端节点确定ti时刻自身的邻居节点数量N(ti)以及该终端节点自身与其邻居节点之间的平均信噪比S(ti)；各个终端节点确定在经历n轮HELLO消息发送周期的时间段内的自身的最大邻居节点数量NMAX和最大信噪比SMAX；各个终端节点计算自身的可靠度D：
Figure GDA0002419837070000021
其中，α为连通度权重，β为信噪比权重，且α+β＝1。
在一优选的实施方式中，从所述的所有路由记录中选取出主路由包括：计算中心节点到目的节点的每条路由的所有节点的平均可靠度W：
Figure GDA0002419837070000031
其中，m为每条路由所经过的节点总数，Dj为该路由所经过的第j个节点的可靠度；选取所述平均可靠度最大的路由作为主路由。
在一优选的实施方式中，选取出与该主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由包括：计算所述节点相关度P：
Figure GDA0002419837070000032
其中LMAIN为所述主路由所经过的节点的集合，Lk为第k条路由记录的节点集合；选择与所述主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由。
在一优选的实施方式中，该多径路由选择方法还包括：在通信时优先使用主路由发送数据，当主路由发生故障时，采用备用路由发送数据。
本发明还提供了一种电力线通信网络的多径路由选择系统，该电力线通信网络中包括中心节点和终端节点。该多径路由选择系统包括：可靠度确定模块、路由发现消息广播模块、路由发现消息接收模块、可靠度判断模块、目的节点判断模块、主路由确定模块、备用路由确定模块路由、响应消息返回模块。可靠度确定模块用于根据各个终端节点在HELLO消息周期性发送过程的邻居节点的数量变化信息以及自身与邻居节点的信噪比变化信息确定各个终端节点的可靠度。中心节点通过该路由发现消息广播模块向目的节点发起路由发现消息，该路由发现消息中包括目的节点的地址信息。路由发现消息接收模块与所述路由发现消息广播模块相耦合，所述终端节点通过该路由发现消息接收模块接收所述路由发现消息。可靠度判断模块与所述可靠度确定模块和所述路由发现消息接收模块均相耦合，收到所述路由发现消息的所有终端节点通过所述可靠度判断模块判断自身的可靠度是否超过门限值。目的节点判断模块与所述可靠度判断模块相耦合，可靠度未超过所述门限值的终端节点根据所述目的节点判断模块判断自身是否是目的节点。主路由确定模块与所述目的节点判断模块相耦合，目的节点通过该主路由确定模块选取中心节点到目的节点的主路由。备用路由确定模块与所述主路由确定模块相耦合，用于选取与主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由。路由响应消息返回模块与所述主路由确定模块和所述备用路由确定模块均相耦合，目的节点通过该路由响应消息返回模块向中心节点返回路由响应消息，该路由响应消息包括所述主路由和备用路由的信息。
在一优选的实施方式中，该多径路由选择系统还包括主备路由切换模块，其与所述主路由确定模块和所述备用路由确定模块均相耦合，用于当主路由在通信中发生故障时，切换备用路由发送数据。
与现有技术相比，根据本发明的电力线通信网络的多径路由选择方法及系统，首先计算各个终端节点的可靠度，在寻找路由的过程中，只选择可靠度满足要求的节点作为中间节点，保证找到的路由的各个节点之间不容易出现路径断裂，从找到的这些路由中再选出可靠度最佳的路由作为主路由，进一步提高了路由的可靠性，在该主路由的基础上，基于节点不相关的原理选出了节点相关度最小的路由作为备用路由，最后将选择的主路由和备用路由告知中心节点，这样当通信中主路由出现故障时可以及时切换到备用路由，提高了电力线通信网络处理链路故障的及时性以及电力线通信网络的抗毁性。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的电力线通信网络的多径路由选择方法的流程图；
图2是根据本发明一实施方式的电力线通信网络的多径路由选择系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明提供了一种电力线通信网络的多径路由选择方法及系统，其设置了可靠性佳的主路由，同时还设置了与主路由的节点相关度最小的备用路由，能够在主路由失效时及时启动备用路由，提高了电力线通信网络处理链路故障的及时性以及电力线通信网络的抗毁性。
本发明的基本原理是：每个终端节点结合邻居节点数变化率与信噪比变化率计算其自身节点可靠度；中心节点向目的节点发送“路由发现消息”通过选择局部拓扑较为稳定且信噪比较好的节点参与路由发现消息转发，以减少路径断裂的概率；目的节点选择出两条节点不相关的多径路由，并向中心节点返回“路由响应消息”，将多径路由信息告知中心节点。
图1是根据本发明一实施方式的电力线通信网络的多径路由选择方法的流程图。
该电力线通信网络的多径路由选择方法包括步骤S1和S2。
在步骤S1中确定节点的可靠度：节点之间通过接收邻居节点周期性发送来的HELLO消息来确定本与邻居节点的连通度，根据邻居节点数的变化率和平均信噪比的变化率，按照公式(1)计算本节点可靠度D。
Figure GDA0002419837070000051
其中，n为ti时刻第n轮HELLO消息周期，N(ti)为ti时刻邻居节点数量，S(ti)为ti时刻邻居节点的平均信噪比；NMAX和SMAX分别为最大邻居节点数和最大信噪比；α为连通度权重，β为信噪比权重，且α+β＝1。D越小说明节点周边的局部拓扑结构和信道质量越稳定，D越大说明节点周边的局部拓扑结构和信道质量变化越剧烈。
在步骤S2中发现主备路由：路由发现主要涉及PLC网络中的中间节点对“路由发现消息”的处理，具体地，该流程包括：
在步骤S201中广播路由发现消息：中心节点以广播方式向目的节点发起“路由发现消息”；
在步骤S202中转发路由发现消息：中间节点接收到“路由发现消息”后，首先判断该节点的可靠度D是否超过门限值，如果D超过门限值,则说明当前节点不可靠，则直接丢弃该“路由发现消息”；否则继续转发该“路由发现消息”，直到“路由发现消息”到达目的节点；
在步骤S203中确定主路由：目的节点接收到多条“路由发现消息”，提取其路由记录，存入缓存并统计所有的路由记录，根据公式(2)将平均可靠度最优(Wmax)的路由作为主路由；
Figure GDA0002419837070000061
公式(2)中，m为某条路由所经过的节点总数，Dj为该路由所经过的第j个节点的节点可靠度；
在步骤S204中确定备用路由：目的节点根据公式(3)从所有路由记录里选取与主路由的节点相关度最小(Pmin)的路径R2作为备用路由，并生成包含有主路由和备用路由记录的“路由响应消息”，发送给中心节点。
Figure GDA0002419837070000062
公式(3)中，Lk为第k条路由记录的节点集合，LMAIN为主路由所经过的节点集合。
在步骤S205中返回路由响应消息：目的节点向中心节点返回路由响应消息，该路由响应消息包括所述主路由和备用路由的信息，中心节点存储了到达所有终端节点的路由记录。
优选地，该电力线通信网络的多径路由选择方法还包括步骤S3。
在步骤S3中进行多径路由维护：采用主路由和备用路由相互备份的方式来发送数据包。中心节点存储了到达所有终端节点的路由记录，当主路由中断时，首先查找路由记录,寻找备用路由，以单条路径发送数据包，直到主备路由全部不可用，才重新进行路由发现过程寻找新的路由。
图2是根据本发明一实施方式的电力线通信网络的多径路由选择系统的结构示意图。
该电力线通信网络的多径路由选择系统包括：可靠度确定模块10、路由发现消息广播模块11、路由发现消息接收模块12、可靠度判断模块13、目的节点判断模块14、主路由确定模块15、备用路由确定模块16以及路由响应消息返回模块17。
可靠度确定模块10用于根据各个终端节点在HELLO消息周期性发送过程的邻居节点的数量变化信息以及自身与邻居节点的信噪比变化信息确定各个终端节点的可靠度。中心节点通过路由发现消息广播模块11向目的节点发起路由发现消息，该路由发现消息中包括目的节点的地址信息。路由发现消息接收模块12与所述路由发现消息广播模块11相耦合，所述终端节点通过该路由发现消息接收模块12接收所述路由发现消息。
可靠度判断模块13与所述可靠度确定模块10和所述路由发现消息接收模块12均相耦合，收到所述路由发现消息的所有终端节点通过所述可靠度判断模块13判断自身的可靠度是否超过门限值。目的节点判断模块14与所述可靠度判断模块13相耦合，可靠度未超过所述门限值的终端节点根据所述目的节点判断模块14判断自身是否是目的节点。主路由确定模块15与所述目的节点判断模块14相耦合，目的节点通过该主路由确定模块15选取中心节点到目的节点的主路由。备用路由确定模块16与所述主路由确定模块15相耦合，用于选取与主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由。
路由响应消息返回模块17与所述主路由确定模块15和所述备用路由确定模块16均相耦合，目的节点通过该路由响应消息返回模块17向中心节点返回路由响应消息，该路由响应消息包括所述主路由和备用路由的信息。
优选地，该多径路由选择系统还包括：主备路由切换模块18，其与所述主路由确定模块15和所述备用路由确定模块16均相耦合，用于当主路由在通信过程中发生故障时及时切换备用路由来发送数据。
综上，所述电力线通信网络的多径路由选择方法及系统，首先计算各个终端节点的可靠度，PLC网络节点之间通过定期发送HELLO消息，排除邻居节点变化率和信噪比较差的路由，减少路由信息交互的开销，在寻找路由的过程中，只选择可靠度满足要求的节点作为中间节点，保证找到的路由的各个节点之间不容易出现路径断裂，从找到的这些路由中再选出可靠度最佳的路由作为主路由，进一步提高了路由的可靠性，在该主路由的基础上，基于节点不相关的原理选出了节点相关度最小的路由作为备用路由，最后将选择的主路由和备用路由告知中心节点，这样当通信中主路由出现故障时可以及时切换到备用路由，提高了电力线通信网络处理链路故障的及时性以及电力线通信网络的抗毁性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种电力线通信网络的多径路由选择方法，该电力线通信网络中包括中心节点和终端节点，其特征在于，该多径路由选择方法包括：
各个终端节点接收自身的邻居节点周期性发送的HELLO消息，根据该HELLO消息发送过程的邻居节点的数量变化信息以及自身与邻居节点的信噪比变化信息确定各个终端节点的可靠度；
中心节点以广播方式向目的节点发起路由发现消息，该路由发现消息包括目的节点的地址信息；
收到所述路由发现消息的所有终端节点首先判断自身的可靠度是否超过门限值，可靠度超过所述门限值的终端节点直接丢弃自身收到的路由发现消息，可靠度未超过所述门限值的终端节点根据所述路由发现消息中的目的节点的地址信息判断自身是否是目的节点，若自身不是目的节点，则继续转发所述路由发现消息，若自身是目的节点，则从该目的节点收到的所有路由发现消息中提取所有的路由记录，从所述的所有路由记录中选取出主路由，再选取出与该主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由；以及
目的节点向中心节点返回路由响应消息，该路由响应消息包括所述主路由和备用路由的信息。
2.如权利要求1所述的电力线通信网络的多径路由选择方法，其特征在于，所述确定各个终端节点的可靠度包括：
各个终端节点确定ti时刻自身的邻居节点数量N(ti)以及该终端节点自身与其邻居节点之间的平均信噪比S(ti)；
各个终端节点确定在经历n轮HELLO消息发送周期的时间段内的自身的最大邻居节点数量NMAX和最大信噪比SMAX；以及
各个终端节点计算自身的可靠度D：
Figure FDA0002419837060000021
其中，α为连通度权重，β为信噪比权重，且α+β＝1。
3.如权利要求1所述的电力线通信网络的多径路由选择方法，其特征在于，从所述的所有路由记录中选取出主路由包括：
计算中心节点到目的节点的每条路由的所有节点的平均可靠度W：
Figure FDA0002419837060000022
其中，m为每条路由所经过的节点总数，Dj为该路由所经过的第j个节点的可靠度；以及
选取所述平均可靠度最大的路由作为主路由。
4.如权利要求3所述的电力线通信网络的多径路由选择方法，其特征在于，选取出与该主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由包括：
计算所述节点相关度P：
Figure FDA0002419837060000023
其中LMAIN为所述主路由所经过的节点的集合，Lk为第k条路由记录的节点集合；以及
选择与所述主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由。
5.如权利要求1所述的电力线通信网络的多径路由选择方法，其特征在于，该多径路由选择方法还包括：
在通信时优先使用主路由发送数据，当主路由发生故障时，采用备用路由发送数据。
6.一种电力线通信网络的多径路由选择系统，该电力线通信网络中包括中心节点和终端节点，其特征在于，该多径路由选择系统包括：
可靠度确定模块，用于根据各个终端节点在HELLO消息周期性发送过程的邻居节点的数量变化信息以及自身与邻居节点的信噪比变化信息确定各个终端节点的可靠度；
路由发现消息广播模块，中心节点通过该路由发现消息广播模块向目的节点发起路由发现消息，该路由发现消息中包括目的节点的地址信息；
路由发现消息接收模块，与所述路由发现消息广播模块相耦合，所述终端节点通过该路由发现消息接收模块接收所述路由发现消息；
可靠度判断模块，与所述可靠度确定模块和所述路由发现消息接收模块均相耦合，收到所述路由发现消息的所有终端节点通过所述可靠度判断模块判断自身的可靠度是否超过门限值；
目的节点判断模块，与所述可靠度判断模块相耦合，可靠度未超过所述门限值的终端节点根据所述目的节点判断模块判断自身是否是目的节点；
主路由确定模块，与所述目的节点判断模块相耦合，目的节点通过该主路由确定模块选取中心节点到目的节点的主路由；
备用路由确定模块，与所述主路由确定模块相耦合，用于选取与主路由的节点相关度最小的路由作为备用路由；以及
路由响应消息返回模块，与所述主路由确定模块和所述备用路由确定模块均相耦合，目的节点通过该路由响应消息返回模块向中心节点返回路由响应消息，该路由响应消息包括所述主路由和备用路由的信息。
7.如权利要求6所述的电力线通信网络的多径路由选择系统，其特征在于，该多径路由选择系统还包括：
主备路由切换模块，与所述主路由确定模块和所述备用路由确定模块均相耦合，用于当主路由在通信中发生故障时，切换备用路由发送数据。
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